发现地磁极性倒转的最古老证据

地球早期的板块构造运动

从地质学的角度来说，现代地球是动态的。岩石地幔中的对流会驱动着地球重塑表面的板块构造；而金属内核里的流动则产生了强大的行星磁场。

然而，科学家尚不明确的是，这些过程是否从地球的早期时代就已经开始塑造地球。因为寻找板块构造运动是何时开始的证据非常困难，那些最古老的地壳碎片早已进入了地球的内部地幔中，再也没有暴露出来。在地球表面，只有 5% 的岩石年龄超过了 25 亿年，没有岩石的年龄超过 40 亿年。

最近，哈佛大学的地质学家与合作者在《美国国家科学院院刊》上发表了一项新的研究，他们通过测量32.5 亿年前的古老岩石中的磁信号，为快速移动的地壳（板块构造的标志）和极性偶尔交替互换的稳定古磁场提供了迄今为止最早的、最有力的定量证据。

这样的结果也为科学家研究地质变化会如何导致地球上发展出更有利于生命发展的环境提供了新的线索，它意味着在地球的早期历史中，从地球表面到内部深处的地质构造就已经非常成熟，有可能为早期生命的进化提供稳定的环境。

测量皮尔巴拉克拉通的古磁极

新研究所分析的古老岩石碎片取样自西澳大利亚的皮尔巴拉克拉通。在地质学中，克拉通指的是大陆地壳上古老而稳定的组成部分，而澳大利亚的皮尔巴拉克拉通就是地壳中最古老、最稳定的部分之一。

论文的作者之一 Roger Fu 在皮尔巴拉克拉通的玄武岩露头拍照。（图／Alec Brenner / Harvard University）

2018 年，该项目的研究人员前往皮尔巴拉克拉通，在原始而厚重的地壳板上钻孔取样，然后将样本带回实验室，对它们的磁史进行分析。

利用磁强计、退磁设备和量子钻石显微镜（能对样本的磁场成像，并精确识别磁化粒子的性质），研究人员创造了一套新的能够确定样本被磁化的时间和方式的技术和设备。他们利用这些新的技术和设备，测量了皮尔巴拉克拉通在 32.5 亿年前的古地磁极。

古地磁极承载着地球的地球物理史信息，这些信息可以帮助地质学家确定地壳是如何、在何时、向哪个方向移动，并了解来自地球磁极的磁力影响，从而帮助科学家对最古老的板块运动进行重建。

早期地球的地表漂移速度

在之前的研究中，同一组研究人员对 33.4-31.8 亿年前的皮尔巴拉克拉通进行了测量，记录了 1.6 亿年间的纬向漂移和旋转。2020 年 4 月，他们在《科学进展》发表了一篇论文报告称，古代地壳大约以每年 2.5 厘米的速度纬向漂移。研究人员认为，能够导致这种地表漂移的原因除了板块构造运动之外，还可能是所谓的 " 真极移 "，以及 " 停滞盖构造学 " 现象。

这次，研究人员通过将新的测量结果与之前的测量结果相结合，得出结论认为，地球上最古老的一些表面至少以每年6.1 厘米的速率移动，以每百万年 0.55° 的角度旋转。这表明古代地壳的移动速率要比之前认为的还要快。

这样的数值结果与 " 真极移 " 和 " 停滞盖构造学 " 过程中的一些结论不符，使构造学成为最合理、最有力的解释，让科学家能更有信心地排除那些与板块构造无关的解释。

早期地球的磁极倒转

此外，在新论文中，研究人员还描述了被认为是地磁极性倒转的最古老证据。根据 NASA 的一些研究，我们认为在地球的地质历史上，南北磁极倒转是种常见现象。在过去的 8300 万年里，南北两极已经反转了 183 次；在过去的 1.6 亿年里，翻转次数可能高达数百次。

透过地磁的极性倒转，研究人员可以了解到地球磁场在 32 亿年前的许多情况。其中最重要的信息是，那时候的磁场很可能足够稳定和强大，能够防止太阳风侵蚀地球大气。

通过将这一信息与板块构造学的一些研究结果结合在一起，可以为科学家研究早期生命形式的发展提供新的线索。

早期地球的生命进化

这些结果所描绘的是一幅地球动力学已经非常成熟的早期地球画像。它有很多可以导致地球的环境和表面条件变得更稳定，使生命进化和发展更可行的动态过程。

今天的地球外壳大约由 15 块移动的地壳（即板块）组成，它们承载着地球上的大陆和海洋。在漫长的时间里，这些漂移的板块相遇又分离，形成新的大陆和山脉，并将新的岩石暴露在大气中，导致一些能使地球的表面温度在数十亿年里都保持稳定的化学反应。

越来越多的研究认为，在地球 45 亿年的历史中，构造运动发生在相对较早的时期，而地球上的早期生命形式也出现在一个更温和的环境中。总的来说，这项研究支持这样的说法。

寻找更多的古老地壳

未来，研究人员计划除了继续将重点放在皮尔巴拉克拉通上之外，同时也将关注世界上其他地方的古老地壳。他们希望能够找到类似现代板块运动的更古老证据，以及确定地球磁极的翻转时间。

论文的第一作者 Alec Brenner 在皮尔巴拉克拉通。（图／Roger Fu / Harvard University）

地球的最早期历史，是科学家们通常更多地只能通过理论而非实际数据来加以了解的时期。可靠地解读这些非常古老的岩石，为观察这一特殊时期提供了更多的可能性。利用这些岩石，科学家不仅有机会重建板块构造运动开始的时间，还能重建它们的运动，以及了解驱动它们运动的深层地球内部过程是如何随着时间而变化的。